Bouw een MEMS-trillingssensorsysteem voor conditiebewaking in industriële toepassingen

Alle industriële machines falen een keer, hetzij vroegtijdig als gevolg van onvolkomenheden in de productie of later als gevolg van een opbouw van vuil, verslechtering van interne onderdelen of simpelweg door slijtage. Met de groei van geautomatiseerde industriële productielijnen worden fabrieksexploitanten geconfronteerd met een schijnbaar eindeloze cyclus van onderhoud en reparaties die de productie stil kunnen leggen, vooral wanneer onopgemerkte defecten in machines leiden tot catastrofale storingen.

In plaats van onnodige downtime voor onvoorzien onderhoud of het oplossen van onverwachte storingen kunnen fabrieksexploitanten CBM-indicatoren (condition-based monitoring) gebruiken om onderhoud en reparaties efficiënter in te plannen, lang voordat de apparatuur in een kritieke bedrijfstoestand komt. Het bewaken van de operationele status van een machine kan tot aanzienlijke besparingen leiden in een industriële omgeving. Door de omstandigheden of condities die meestal voorafgaan aan apparaatuitval vroegtijdig te detecteren, kunnen industrieel ingenieurs de machines repareren nog voordat ze stukgaan.

Bij het implementeren van CBM kan de aard van de te bewaken condities echter verschillen, waardoor ontwikkelaars nauwkeurige sensorsignaalketens moeten bouwen die aan specifieke eisen voldoen.

Dit artikel bespreekt de vereisten voor het implementeren van CBM voor industriële apparatuur en beschrijft hoe ontwikkelaars signaalketens kunnen bouwen die aan deze vereisten voldoen met behulp van een combinatie van componenten van Analog Devices.

Trillingsanalyse

De onderliggende techniek van CBM-methoden voor het beoordelen van de bedrijfstoestand van machines en bewegende delen is overwegend trillingsanalyse. Hierbij analyseren industrieel ingenieurs de trillingsmetingen om patronen te identificeren die wijzen op onbalans, verkeerde uitlijning of schade aan rotors, tandwielen, lagers en andere mechanische contacten tussen machineonderdelen. Zo kunnen repeterende patronen van trillingen met hoge amplitude bijvoorbeeld duiden op mechanische schokken als gevolg van beschadigde of versleten koppelingen, tandwielen, lagers, lagerloopringen of andere contact makende machineoppervlakken.

Naast deze trillingsmeting in het tijddomein kan een meting in het frequentiedomein met behulp van FFT-analyse (Fast Fourier Transformation) nog meer details over de machinestatus onthullen. Hoewel de FFT-berekeningen die worden gebruikt voor deze frequentiedomeinanalyse meer rekenkracht vereisen, is het resultaat zeker de moeite waard. Dankzij deze aanpak hebben ervaren ingenieurs verschillende betrouwbare frequentiegerelateerde indicatoren gevonden voor onder meer onbalans, verkeerde uitlijning, speling en lagerdefecten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Door de absolute en relatieve grootte van pieken in het frequentiedomein te meten, kan de industrieel ingenieur een groot aantal bestaande en potentiële machineproblemen afleiden, variërend van ongebalanceerde machineonderdelen tot lagerdefecten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Veranderingen in de grondfrequentie, ook wel de 1x-component genoemd, ten opzichte van de boventonen en eerdere 1x-baselinemetingen kan betekenen dat we te maken hebben met een onbalans. Dit komt tot uiting in een signaal waarvan de amplitude evenredig is met het kwadraat van de rotatiesnelheid en waarvan de frequentie overeenkomt met de rotatie- of resonantiefrequentie van de machine. Daarentegen veroorzaken een verkeerde uitlijning of speling tussen machineonderdelen een karakteristieke toename in de eerste boventoon, ook wel de 2x-component genoemd, en zelfs in frequenties zo hoog als 10x-componenten. Op dezelfde manier leiden onbalans, verkeerd uitgelijnde of beschadigde interne onderdelen zoals tandwielen tot hogere pieken op frequenties die verband houden met hun eigen rotatiesnelheid en het aantal tanden.

Defectindicatoren kunnen behoorlijk complex worden, met name voor lagers die zich diep in de machine in een lagerloopring bevinden. Terwijl lagers door de loopring bewegen, genereren ze een karakteristiek signaal met een frequentie die de kogelspinfrequentie (ball spin frequency of BSF) wordt genoemd, gemoduleerd door een signaal met een frequentie gelijk aan de rotatiefrequentie van de lagerkooi (fundamental train frequency of FTF). Defecte lagers of loopringen leiden tot een relatief hogere amplitude op de BSF, resulterend in een reeks trillingen met een lage amplitude gemoduleerd door de FTF (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Specifieke trillingen met betrekking tot machinefouten kunnen variëren van gemakkelijk te herkennen pieken op de fundamentele frequentie en een aantal boventonen, tot complexe signalen voor lagerdefecten die pulsen genereren op de kogelspinfrequentie (BSF) met een modulerend signaal gerelateerd aan de rotatiefrequentie van de lagerloopring (FTF). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het resulterende kenmerk van lagerdefecten in het frequentiedomein kan behoorlijk complex zijn en ziet eruit als een algemene toename van pieken met lage amplitude verspreid over een brede hoge frequentieband (zie de rechterkant van Afbeelding 1).

Ondanks de ogenschijnlijke complexiteit van kenmerken in het frequentiedomein hebben industrieel ingenieurs een uitgebreide catalogus van analysemethoden en gedetailleerde indicatoren voor de diagnose van defecten ontwikkeld, variërend van onbalans en verkeerde uitlijning tot subtielere problemen met betrekking tot lagers.

Dankzij een grotere vraag naar en beschikbaarheid van doeltreffender oplossingen worden analyse- en trillingsmeetmethoden steeds geavanceerder. In het verleden gebruikten ingenieurs meestal mobiele vibratiemonitors met draagbare dataloggers om patronen vast te leggen die later offline werden geanalyseerd.

Als gevolg van de overstap naar Industry 4.0-automatisering en een grotere afhankelijkheid van geautomatiseerde machines zijn handmatige methoden minder praktisch geworden. Dankzij de beschikbaarheid van meer geavanceerde halfgeleidercomponenten worden CBM-toepassingen in toenemende mate gebaseerd op trillingsmeetapparatuur die rechtstreeks aan kritieke machines wordt bevestigd voor continue bewaking.

Vereisten voor trillingsmetingen

Zoals bij alle toepassingen voor de acquisitie van sensorsignalen, zijn trillingsmeetapparaten voor CBM afhankelijk van een vertrouwde signaalketentopologie, bestaande uit een sensor, een signaalverwerkingscircuit, een analoog-digitaalomzetter (ADC) en een processor (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Trillingsdetectiesystemen gebruiken een vertrouwde signaalketentopologie, bestaande uit een sensor, een laagdoorlaatfilter (LPF), een operationele versterker en een ADC met een processor en ondersteunende onderdelen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om het soort frequentiedomeinanalyse dat hierboven werd genoemd te ondersteunen, verschillen de specificaties van deze trillingssignaalketen meestal aanzienlijk van de signaalketens die worden gebruikt voor bewegingsdetectie in consumentenapparaten.

Een van de belangrijkste verschillen tussen industriële en consumententoepassingen is de bandbreedtevereiste van trillingssensoren. Zoals hierboven vermeld, kunnen defectindicatoren in machines boventonen detecteren van wel 5x of zelfs 10x de grondfrequentie of in het algemeen over een nog hogere frequentieband. Industriële machines draaien standaard op een snelheid van honderden of zelfs duizenden omwentelingen per minuut (rpm). Daarom vereist een machine die op 1000 rpm draait een trillingssensor met een bandbreedte van 5 kilohertz (kHz) of meer om pieken vast te kunnen leggen bij frequenties geassocieerd met lagerdefecten of complexe uitlijnfouten. Ook is een hoge bandbreedte nodig om signalen te meten met betrekking tot lagers die werken binnen een hoger BSF-bereik.

Hoge bandbreedteprestaties alleen zijn vaak onvoldoende om subtielere defectkenmerken te detecteren met betrekking tot een geringe onbalans, verkeerde uitlijning of defect van de lagerloopringen of de lagers zelf. Hoewel klein in amplitude, kunnen deze signaalbronnen duiden op potentiële problemen of, in het geval van lagerproblemen, zelfs op ophanden zijnde storingen. Daarom moet CBM-trillingsmeetapparatuur ook werken met een lage ruisvloer en voldoende resolutie om de signalen met lage amplitude die bij deze defecten horen, te isoleren.

Sensoren op basis van micro-elektromechanische systemen (MEMS)

Hoewel piëzo-elektrische accelerometers in het verleden vaak in industriële toepassingen werden gebruikt, is recentelijk gebleken dat MEMS-sensoren (micro-elektromechanische systemen) een effectieve oplossing bieden. Deze polysiliciumstructuren worden gefabriceerd op een siliciumsubstraat en zijn gebaseerd op cellen bestaande uit een beweegbare plaat tussen twee vaste platen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een MEMS-sensor (micro-elektromechanische systemen) is gefabriceerd met behulp van conventionele halfgeleiderprocestechnologieën en bevat cellen van vaste en beweegbare platen die afbuigen als gevolg van een versnelling, wat resulteert in veranderende celcapaciteit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Als de beweegbare plaat als gevolg van een versnelling afbuigt ten opzichte van de vaste platen, verandert de differentiële capaciteit en wordt er een sensor-output geproduceerd die evenredig is met de versnelling.

Zelfs met deze kleine afbuigingen kunnen geavanceerde MEMS-trillingssensoren de versnelling van industriële machines volgen.

Volgens de vergelijking voor simpele harmonische bewegingen is de versnelling als volgt gerelateerd aan frequentie:

a = -(2pf)²x     (Vergelijking 1)

Waarbij:

a = versnelling

f = frequentie

x = de amplitude van de verplaatsing vanaf de centrale positie (meestal in de orde van 1 micrometer (µm) in MEMS-trillingssensoren)

Hierdoor kan de versnelling die wordt ervaren door een MEMS-sensor voor industriële machines honderden g’s bereiken — vele ordes van grootte hoger dan de versnellingen die worden gemeten door de MEMS-trillingssensoren die gewoonlijk worden gebruikt in consumentenproducten (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: MEMS-sensoren kunnen een zeer hoge versnelling ervaren bij toerentallen typisch voor industriële machines. (Bron afbeelding: Digi-Key van Analog Devices-gegevens)

Dankzij een voortdurende vooruitgang in MEMS-fabricagetechnologieën hebben ontwikkelaars nu de beschikking over MEMS-trillingssensoren zoals de MEMS-accelerometers in de ADXL100x-familie van Analog Devices. Deze accelerometers voldoen niet alleen aan de strenge vereisten voor CBM-trillingstoepassingen, maar vereenvoudigen ook het ontwerp van de onderliggende trillingsdetectiesystemen.

Geïntegreerde MEMS-sensoren

De ADXL100x-familie van MEMS-trillingssensoren met enkele as van Analog Devices, waaronder de ADXL1001, ADXL1002, ADXL1003, ADXL1004 en ADXL1005, bieden ontwikkelaars een reeks componenten die voldoen aan industriële vereisten voor versnellingsbereik, bandbreedte, resolutie en ruis (Tabel 1).

Tabel 1: Prestatiespecificaties van ADXL100x trillingssensoren van Analog Devices (Bron tabel: Analog Devices)

Aangezien MEMS-sensoren vervaardigd zijn met conventionele halfgeleiderprocestechnologieën, kunnen ze eenvoudig worden geïntegreerd met andere circuits voor een ​​verscheidenheid aan analoge en digitale functies. Elke MEMS-sensor uit de ADXL100x-familie gebruikt dezelfde functionele architectuur, waarbij de sensor wordt gecombineerd met een sensorversterker, een demodulator, een uitgangsversterker en extra functies (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Alle sensoren uit de ADXL100x-familie van trillingssensoren van Analog Devices bestaan uit een combinatie van een MEMS-sensor met uitgebreide signaalverwerkingcircuits en extra functionele mogelijkheden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een van deze functies is een overbereik- of OR-detectie (overrange) die het sensorelement beschermt wanneer de versnelling meer dan twee keer het gespecificeerde g-bereik voor het component bereikt. Dergelijke waarden zijn niet ongewoon in normaal werkende machines, vooral wanneer een machine voor het eerst opstart of later van snelheid verandert. Totdat de machine stabiliseert op de grondfrequentie, kan door de combinatie van resonantiefrequenties die worden gegenereerd wanneer de onderdelen op snelheid komen zelfs de meest robuuste trillingssensor oververzadigd raken.

Wanneer zich een overbereikconditie voordoet, stelt het OR-subsysteem van de ADXL100x het OR-uitgangssignaal in om de hostprocessor te waarschuwen. Bovendien wordt de interne klok gedurende 200 microseconden (μs) uitgeschakeld om schade aan de MEMS-structuur te voorkomen. Als het overbereik na deze periode van 200 μs nog niet is verholpen, activeert het OR-subsysteem om de 500 μs opnieuw het uitgangssignaal en een uitschakelperiode.

De signaalketen opbouwen

De geïntegreerde uitgangsversterker van de ADXL100x kan resistieve belastingen met een bronstroom tot 2 milliampère (mA) aansturen met een maximale belastingcapaciteit van 100 picofarad (pF). Zo kunnen ontwikkelaars in principe hun ADXL100x rechtstreeks aansluiten op een AD4000 16-bit precisie successive approximation register (SAR) ADC van Analog Devices.

In de praktijk vereist het gebruik van een dergelijke directe aansluiting een samplefrequentie van minstens 220 kHz. Deze samplefrequentievereiste vloeit voort uit de noodzaak om op tweemaal de 3 decibel (dB) frequentierespons bandbreedte van het component te samplen, wat ruim boven die van de MEMS-sensor ligt (zie Tabel 1). De geïntegreerde uitgangsversterker is in feite ontworpen met een 3 dB frequentierespons bandbreedte van 70 kHz bij om metingen mogelijk te maken bij frequenties in de buurt van de resonantiefrequentie van de sensor, welke aanzienlijk hoger kan liggen dan de 3 dB frequentie in de specificaties (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De ADXL100x-familie van trillingssensoren van Analog Devices biedt een hoge bandbreedte-frequentierespons vergelijkbaar met de curve die hier wordt weergegeven voor de ADXL1002, die een 3 dB bandbreedte van 11 kHz specificeert en een karakteristieke resonantiefrequentiepiek toont bij een aanzienlijk hogere frequentieband. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zoals bij alle conversiesignaalketens moet de samplefrequentie ten minste twee keer de equivalente ruisbandbreedte (equivalent noise bandwidth of ENBW) zijn om te voorkomen dat ruisaliasing in de betreffende frequentieband wordt opgenomen. Aangezien ENBW = π/2 x ω_3dB, waarbij ω_3dB in dit geval 70 kHz is, is de ENBW voor de ADXL100x gelijk aan 110 kHz. De vereiste samplefrequentie moet dus minstens 220 kHz zijn.

Ontwikkelaars kunnen deze samplevereiste gemakkelijk verlagen door eenvoudig een enkelpolig laagdoorlaatfilter toe te voegen. Analog Devices raadt aan om een ​​tweepolig RC-filter (weerstand-condensator) te gebruiken tussen de sensor en een ADC, zoals de eerder genoemde AD4000 (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Ontwikkelaars kunnen de vereiste samplefrequentie van de sensor verlagen door een eenvoudig tweepolig laagdoorlaatfilter tussen een ADXL100x MEMS-sensor en een AD4000 ADC van Analog Devices te gebruiken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Zo zou bijvoorbeeld een weerstand R1 van 16 kiloohm (kΩ), een condensator C1 van 300 pF, een weerstand R2 van 32 kΩ en een condensator C2 van 300 pF een demping bieden van ongeveer 84 dB bij de interne klokfrequentie van 200 kHz van de ADXL1001/ADXL1002. In dit geval zou een ADC-samplefrequentie van 32 kHz voldoende zijn om trillingen van 0 tot 10 kHz te meten zonder aliasing-artefacten.

Door een ADXL100x-sensor te gebruiken met AD4000 ADC en slechts enkele passieve componenten kunnen ontwikkelaars een complete signaalketen voor trillingsmeting implementeren. De kern van het trillingssensorontwerp kan snel worden voltooid met de toevoeging van een spanningsregelaar zoals de ADP7104 low-dropout (LDO) regulator, een referentiespanningsbron zoals de ADR4550 en een processor zoals de ADUCM4050 microcontroller, allemaal van Analog Devices.

Door deze componenten samen met verschillende componenten uit de ADXL100x-familie te gebruiken, kunnen ontwikkelaars voldoen aan specifieke prestatie-eisen, zoals een groter versnellingsbereik of hogere bandbreedte voor hun unieke CBM-toepassing.

Drie-axiale metingen

Voor complexere CBM-toepassingen kan het vermogen van de ADXL100x-familie om een enkele as te meten onvoldoende zijn. Hoewel ontwikkelaars hun basisontwerp eenvoudig voor elke vereiste meetas kunnen repliceren, biedt Analog Devices een eenvoudiger oplossing met de ADCXL3021 ADcmXL3021 drie-axiale trillingssensormodule.

De Analog Devices ADcmXL3021-module heeft een aluminium behuizing van 23,7 millimeter (mm) x 27,0 mm x 12,4 mm met montageflenzen en ondersteunt drie-axiale metingen met behulp van drie ADXL1002 MEMS-accelerometers gepositioneerd langs onderling orthogonale detectie-assen (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De ADcmXL3021-module van Analog Devices wordt geleverd in een aluminium behuizing van 23,7 mm x 27,0 mm x 12,4 mm (links) en biedt een compleet drie-axiaal trillingsmeetsysteem (rechts) dat aan industriële prestatievereisten voldoet. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Elke MEMS-sensorsignaalketen bevat een speciale ADC die 220 kilosamples per seconde (kSPS) meet, waarna de resultaten worden opgeslagen in de ingebouwde FIFO-buffer (first-in, first-out) van de module. De geïntegreerde processor van de module ondersteunt metingen in het tijddomein en het frequentiedomein met vier verschillende bedrijfsmodi:

• Real-time streaming (RTS), wat real-time gegevens verstrekt
• Handmatige FFT-modus (MFFT), die frequentiedomeingegevens genereert als reactie op een trigger van een extern signaal of softwareopdracht
• Automatische FFT-modus (AFFT), die een interne timer gebruikt om het vastleggen van frequentiedomeingegevens automatisch te activeren
• Handmatige tijdregistratiemodus (MTC), die 4.096 opeenvolgende tijddomeinsamples vastlegt en het gebruik van signaalverwerkingsfuncties ondersteunt, waaronder filteren en het gemiddelde bepalen

Dankzij de geïntegreerde MCU biedt de ADcmXL3021 naast de vier samplingmodi nog extra mogelijkheden. Eén daarvan is ondersteuning voor industrienormen zoals ISO 10816. Deze norm vereist dat een waarschuwing wordt afgegeven wanneer een machine in een ongeschikte bedrijfstoestand komt en een alarm wanneer de machine in kritieke toestand komt.

In de MTC-modus genereert de ADcmXL3021 alarmen met drie verschillende configureerbare niveaus (normaal, waarschuwing en kritiek) voor de tijddomeingegevens. Ter ondersteuning van ISO 10816-meldingen kunnen ontwikkelaars signalen instellen op het normale niveau, waarschuwingssignalen die een onaanvaardbare toestand aangeven en alarmsignalen die duiden op een onveilige situatie.

Voor frequentiedomeinmetingen in MFFT- of AFFT-modus biedt de ADcmXL3021 een meer geavanceerde alarmfunctie. Hier kunnen ontwikkelaars zes alarmbandconfiguraties instellen, die elk het bovenste en onderste frequentiebereik en de bovenste en onderste amplitude specificeren. Zo kunnen ontwikkelaars de ADcmXL3021 configureren om specifieke frequentie- en amplitudekenmerken die duiden op bekende waarschuwings- of alarmcondities te herkennen (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: Ontwikkelaars kunnen de ADcmXL3021 trillingssensormodule van Analog Devices configureren om waarschuwingen of alarmen af te geven met behulp van een combinatie van indicatoren gebaseerd op trillingsgrootte en -frequentieband. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om ontwikkelen met de ADcmXL3021 te vereenvoudigen, levert Analog Devices een ADCMXL_BRKOUT breakout-board met headers voor eenvoudiger toegang tot de ADcmXL3021 flex tail connectorpennen.

Analog Devices levert ook op Windows gebaseerde ADCMXL trillingsevaluatiesoftware ontworpen voor de CYUSB3KIT-003 USB 3.0 SuperSpeed Explorer Kit van Cypress Semiconductor. Met behulp van de evaluatiesoftware-interface kunnen ontwikkelaars voor elke as tijddomein- en frequentiedomeingegevens bekijken en ADcmXL3021-registers wijzigen om alternatieve registratieconfiguraties uit te proberen (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Ontwikkelaars kunnen een evaluatiesoftwareapplicatie van Analog Devices gebruiken om de output van de trillingssensormodule ADcmXL3021 te bekijken of de registers interactief wijzigen om verschillende registratieconfiguraties uit te proberen. (Bron afbeelding: Digi-Key/Analog Devices)

Conclusie

CBM kan aanzienlijke voordelen opleveren en onnodig gepland onderhoud of onverwachte downtime als gevolg van plotselinge machinestoringen voorkomen. Ontwikkelaars van CBM-toepassingen vinden de strikte prestatievereisten van geschikte trillingsmeetsystemen vaak ontmoedigend. In tegenstelling tot sensorsystemen voor bewegingsdetectie in consumententoepassingen vereisen industriële trillingssystemen een groot versnellingsbereik, hoge bandbreedte en resolutie en een zeer lage ruisdichtheid. Met behulp van MEMS-sensoren en bijbehorende componenten van Analog Devices kunnen ontwikkelaars met vertrouwen de robuuste trillingsmeetsystemen bouwen die nodig zijn voor de implementatie van geavanceerde industriële CBM-toepassingen.